電機效率被誰“偷”走了？如何將高效節(jié)能的應(yīng)用優(yōu)勢發(fā)揮到極致

工程苗小兵

先楫資深FAE工程師

電力電子與電力傳動專業(yè)碩士研究生，一個從事了20多年的功率控制的工程小兵，有多年的電機驅(qū)動和電源控制經(jīng)驗，專注電力電子控制方向。

概 述

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，在工業(yè)、交通運輸、建筑等各領(lǐng)域中的用電需求不斷增加，而這些領(lǐng)域中的用電設(shè)備又主要是各種電機，在目前我國的電力系統(tǒng)中，電機的總裝機容量已經(jīng)超過了6億千瓦，為了促進節(jié)能減排目標的實現(xiàn)，2006年制定了國家標準GB18613-2006，將中小型電動機的能效等級劃分為1級（超高效電機），2級（高效電機）、3級（標準電機），3個能耗標準。國家能源標準的實施是為了進一步推動高效產(chǎn)品的發(fā)展。針對國家節(jié)能要求，對電機驅(qū)動也提出了更高的需求，驅(qū)動效率低不僅增加系統(tǒng)能耗，而且加大散熱成本，甚至增加體積和重量從而會導致產(chǎn)品品質(zhì)降低。

電流帶寬

電機控制器損耗，主要包含功率開關(guān)器件的導通損耗和開關(guān)（開通和關(guān)斷）損耗。導通損耗與電機功率和開關(guān)器件選型有關(guān)，降低導通損耗只能選用更高性能的功率開關(guān)管，勢必大幅增加成本，限制開關(guān)頻率是在不提高系統(tǒng)成本的前提下提高效率的最優(yōu)方案。

降低開關(guān)頻率勢必影響到電機驅(qū)動器的另一個體現(xiàn)了電機驅(qū)動器的動態(tài)性能的關(guān)鍵指標：帶寬。伺服控制系統(tǒng)的帶寬表示系統(tǒng)對輸入命令（位置、速度或轉(zhuǎn)矩）變化的響應(yīng)速度。

系統(tǒng)中的每個控制環(huán)路都有自己的帶寬，在級聯(lián)控制環(huán)路中，最內(nèi)層環(huán)路（電流控制）應(yīng)該具有最高的帶寬。下一個環(huán)路（速度控制）會有更低的帶寬，在某些應(yīng)用中，速度環(huán)路帶寬可以比當前環(huán)路帶寬低一個數(shù)量級。最外層環(huán)（位置控制）的帶寬可以比速度環(huán)低一個數(shù)量級。

最優(yōu)策略

目前通用的220V電壓伺服的開關(guān)頻率大約是8-16kHz，其中大部分工作在8kHz。在算法上，我們希望能在不提高開關(guān)頻率的前提下，盡可能提高電流帶寬。根據(jù)奈奎斯特定理，理論上的電流帶寬最高為開關(guān)頻率的1/2。

提高電流帶寬和優(yōu)化效率產(chǎn)生了矛盾。

目前最優(yōu)的辦法是通過中心對齊PWM，在前半波和后半波分別修正占空比，實現(xiàn)單載波調(diào)節(jié)兩次占空比從而提高電流帶寬。通過hpm6200的高算力，可在1us內(nèi)完成整個電流環(huán)計算，在電流采樣結(jié)束后可以立即更新PWM比較器寄存器，實現(xiàn)計算即更新的高效控制效果。

如何實現(xiàn)

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多電機同步

HPM6280有豐富的外設(shè)資源，最多可同時支持4臺電機驅(qū)動控制。下圖展示了通過SYNT定時器實現(xiàn)了4電機同步，每個電機的PWM相差90°相位，功率管開關(guān)時刻均勻分布在一個周期。

SYNT定時器有四個同步比較器，輸出4個同步信號經(jīng)四個電機單元的互聯(lián)管理器分別送到各自PWM模塊的同步輸入端。

PWM中心對齊

PWM 控制器的支持28 (24 +4) 位分辨率計數(shù)器，支持向上計數(shù)模式。多達 24 個比較器，支持用作輸出比較，支持為每個輸出通道靈活地分配數(shù)目不等的比較器，靈活控制輸出信號，生成例如邊沿對齊 PWM、左右不對稱的中央對齊 PWM 以及更復雜的輸出信號。

下圖是在通道 0（CH0REF）和通道 1（CH1REF）輸出上生成中心對齊相移 PWM 的例子。

下圖是中心對稱函數(shù)和對應(yīng)配置。

PWM雙更新觸發(fā)

影子寄存器控制是在 CPU訪問寄存器的時候，實質(zhì)上改變的是它的影子寄存器，新值并不馬上生效。只有在指定的時刻，才把影子寄存器的值更新到寄存器影子寄存器。這可以確保 PWM 在時序控制時確保動作一致，防止在非正常狀態(tài)下數(shù)據(jù)更新，導致輸出產(chǎn)生毛刺、波形異常。

比較器的影子寄存器更新有4種選擇：軟件把 SHCR [SHLK] 位置 1 生效，實時生效，定時器的某一個 CMP 發(fā)生匹配后生效，影子寄存器重載觸發(fā)輸入 SHRLDSYNCI 生效。

PWM雙更新選用兩個比較器配置成中心對齊模式，一組PWM輸出占用兩個比較器，在PWM周期的前半波和后半波分別動作。其中，前半波的影子比較器更新條件為重載觸發(fā)輸入 SHRLDSYNCI，后半波影子比較器更新條件為 CMP 發(fā)生匹配后生效。

將匹配比較器生效把選中的比較器 的值設(shè)為與 周期/2 ，達到半個 PWM 周期后更新影子寄存器的目的。中心對齊模式種兩個比較器在周期/2 、周期分別更新。

ADC雙更新

ADC16支持的轉(zhuǎn)換模式包括：支持讀取轉(zhuǎn)換模式、支持周期轉(zhuǎn)換模式、支持序列轉(zhuǎn)換模式、支持搶占轉(zhuǎn)換模式。其中搶占轉(zhuǎn)換模式支持12 組搶占轉(zhuǎn)換序列，觸發(fā)信號分別來自于芯片的片上互聯(lián)模塊，共 12 個搶占觸發(fā)源，適用于多電機同步觸發(fā)。

PWM中通道 8 參考輸出中通道 15 參考可以用于觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換。ADC轉(zhuǎn)換會受到功率開關(guān)時的開關(guān)噪聲干擾，建議ADC轉(zhuǎn)換時選用PWM中心對齊的周期和周期/2處。

多電機同步觸發(fā)ADC時要避免多電機同一時刻觸發(fā)同一個AD轉(zhuǎn)換導致轉(zhuǎn)換失敗。

小 結(jié)

綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：

HPM6200具備4個PWM模塊可以實現(xiàn)1拖4電機控制。

HPM6200具備高速運算能力，通過PWM雙閉環(huán)控制可以使電流環(huán)帶寬達到載波頻率/2，在不提高開關(guān)頻率的前提下提高帶寬，可以實現(xiàn)<1us的電流環(huán)控制，達到計算即更新的高效控制效果。

ADC雙采樣配合PWM雙更新，能夠讓先楫HPM6200系列產(chǎn)品在伺服系統(tǒng)中更加明顯地發(fā)揮高效節(jié)能應(yīng)用優(yōu)勢。